《光的衍射》专题实验论文
摘要： 光的衍射是指光避开其障碍物, 不经过直线传播就进入几何的阴影, 并且在屏幕上呈现光强不均匀的光学现象。衍射现象是波动本性的必然结果，本专题主要由光波的夫琅禾费衍射、透射光栅衍射和圆孔衍射三个实验组成，结合光的衍射现象、衍射原理、有关衍射的推导与证明、影响观察光的衍射现象的因素，进一步分析光衍射的应用。
关键词：光的衍射；原理；夫琅禾费衍射；透射光栅衍射；
背景：尽管人们观察到了很多的光学现象。到那时对光学的本质认识却经过了很长的一段时间。直到1690年惠更斯才提出了光的波动说，但是仅仅将光解释成一种“以太”介质中传播的机械波，最后，关于光的干涉，衍射等性质等的发现，证实了光具有波动性。1860年，麦克斯韦建立了统一电磁场理论，预言电磁波的存在。而光波只是一种特定波长的电磁波，在1890年，赫兹（Hertz ）用实验证明了这一现象。
对光衍射的认识：光的衍射是光的能量不遵循几何光学模型的现象。人们往往误以为，只有在障碍物线度与波长相比拟时，才发生衍射现象，衍射理论才成立；当障碍物远大于波长或无障碍时，光沿直线传播，衍射理论不成立．其实无论有无障碍物，也不管障碍物大小，都会发生衍射现象，只是在障碍物线度和波长相比拟时，衍射现象才明显。一般地说，b(障碍物的限度) 与λ几乎相同时，衍射现象极为明显，过渡到散射；b 在10～100λ间时，衍射现象显著，出现明暗衍射花样；b> 1 000λ
时，衍射现象不明显，可按直线传播处理。光的衍射是光的波动本性的结果，直线传播也是光的波动本性的结果，两者不对立，而是完全统一的。
对于一个纯衍射问题，光在传播过程中，其波阵面受到很大限制，此时障碍物的几何尺寸都很小，根据惠更斯原理可知，光线偏离了原来的直线传播方向，并且在几何阴影区的边缘产生了强度大小的分布，对波阵面限制越大，衍射效应就越明显，惠更斯提出次波的假设来阐述波传播的现象，得出光在传播过程中碰到障碍物会产生偏离直线传播的现象。但由此产生光强大小的分布问题是由菲涅耳在惠更斯原理的基础上提出次波相干的理论解决的，形成了惠更斯一菲涅耳原理。该原理指出，波阵面上的每一点都是次波的波源，新的波阵面就是这些次波的包络，而且这些次波都是相干的。由于每个波阵面上都存在着无穷多个次波的波源，因此在光的衍射中，其光的叠加就是对无穷多个次波叠加的结果，在数学处理上是一个积分求和的过程，用矢量图解时其矢量图是一个光滑的圆弧。 一丶夫琅禾费衍射
实验理论：衍射物到光源和接收屏的距离均无穷远时的衍射称为夫琅禾费衍射。实际实验时，既可利用透镜在焦平面上观察，也可不用透镜，在远大于波长的位置处观察夫琅禾费衍射现象。平行光经过狭缝衍射，光屏上出现一组明暗相间的条纹，其中除了按照光源里的直线传播原理得到的中央明纹外，在它的两侧还有一些宽度逐渐变窄的明纹，这就是光的单逢衍射现象。
由衍射公式得出如下结论：
（1） 在sin θ =n λ/a±（n=1,2,3„）处衍射强度为零，为暗条纹位置， 分别对应N 级最小。
（2） 次级极大对应的衍射角sin θ=±1.43 λ/a，±2.46 λ/a，±3.47 λ/a……可以计算出各次极大衍射强度依次为 I/I0=0.047,0.017,0.008其中I 为各次极大对应的光强，I0为中央明纹光强极大值。
实验方法：
1）光电池测量光强度转动调节光电池位置的旋柄，使光明器件的狭缝对准衍射图形的中央明纹，仔细确定中央明纹极大值0的位置读数X 。调
整R 使检流计的读数约为80格。然后向一侧移动光电池进行测量，每移动光电池0.2mm 测量一次。
2）CCD 测量光强度
（1）仪器与示波器连接
使用双通道示波器，将仪器的“信号”端输入到示波器“CH1”通道，“触发”端输入“CH2”通道，触发源选CH2。调整示波器触发电平将“CH1 CH2和时间轴设置到合适位置，使CH2在屏幕两侧显示出稳定的触发脉冲。
（2）调整光路
调整激光器、狭缝和CCD 测量系统等高共轴。调节偏振方向，直到能够看见CCD 的探测区。调整光路，使被测光带入CCD 的探测区，在示波器的探测区能够观测到单缝衍射光强的分布曲线。
（3）测量值的读出
示波器上显示的是光强的相对分布，分布上任取15-20个点，读出示波器每个点的坐标值，记下单逢到CCD 的距离L ，通过换算，在坐标纸上画出I/I0—sin 曲线。
实验结果:
根据所得数据画出光强分布图，由公式计算缝宽。
二光栅衍射：
实验理论：当入射光是各种波长的复色光时，经过光栅衍射，对于给定的光栅级数，一个波长对应一个角度，各波长的光按照不同的角度排列，形成光栅光谱。平行光经过一狭缝后成为光源，线光源的光栅衍射使得短的衍射斑变成长的衍射线。
实验方法：调节分光计的基本工作状态，在载物台上放上光栅，调节光栅位置。测研究光谱，画出光谱条纹角度位置。
实验结果：透过分光计可看到光谱图，测出光谱条纹角度位置，计算光栅的色散率。
三丶光衍射原理的应用
光的衍射现象观察的影响因素分析的衍射应用有以下几个应用方向：
1) 普遍应用于光谱分析领域，比如说衍射光栅光谱仪等。
2）应用于衍射成像，比如说衍射成像概念、成像仪器分辨。
3）衍射呈现波阵面，有利于全息术原理的进一步发展。
4）衍射广泛应用于结构分析，例如X 射线结构学等。
结论：波具有干涉，衍射等特性。此次通过光栅衍射和夫琅禾费实验，，对光的衍射特性和衍射与衍射原理进行了深入的探究和研究，通过对三个实验的实践和分析，我对波的衍射性质有了更加深刻地认识和了解，以及对光波衍射的应用有了新的认识。对一些专业术语，一些原理有了更牢固地掌握。通过看书及上网查阅资料，我知道了衍射的各种应用，例如测波长，研究生物体结构等，以及衍射和干涉的相互关系，使我对光的认识进一步加深。此次实验也反映出我知识的欠缺，以及动手能力的薄弱，以后一定会多动手，多实践，认真看书，真正读懂书中的内容。
《光的衍射》专题实验论文
专 业
班 级
学 号姓 名
机械设计制造及其自动化 机械（卓越）1301 齐作霖 3130301006
《光的衍射》专题实验论文
摘要： 光的衍射是指光避开其障碍物, 不经过直线传播就进入几何的阴影, 并且在屏幕上呈现光强不均匀的光学现象。衍射现象是波动本性的必然结果，本专题主要由光波的夫琅禾费衍射、透射光栅衍射和圆孔衍射三个实验组成，结合光的衍射现象、衍射原理、有关衍射的推导与证明、影响观察光的衍射现象的因素，进一步分析光衍射的应用。
关键词：光的衍射；原理；夫琅禾费衍射；透射光栅衍射；
背景：尽管人们观察到了很多的光学现象。到那时对光学的本质认识却经过了很长的一段时间。直到1690年惠更斯才提出了光的波动说，但是仅仅将光解释成一种“以太”介质中传播的机械波，最后，关于光的干涉，衍射等性质等的发现，证实了光具有波动性。1860年，麦克斯韦建立了统一电磁场理论，预言电磁波的存在。而光波只是一种特定波长的电磁波，在1890年，赫兹（Hertz ）用实验证明了这一现象。
对光衍射的认识：光的衍射是光的能量不遵循几何光学模型的现象。人们往往误以为，只有在障碍物线度与波长相比拟时，才发生衍射现象，衍射理论才成立；当障碍物远大于波长或无障碍时，光沿直线传播，衍射理论不成立．其实无论有无障碍物，也不管障碍物大小，都会发生衍射现象，只是在障碍物线度和波长相比拟时，衍射现象才明显。一般地说，b(障碍物的限度) 与λ几乎相同时，衍射现象极为明显，过渡到散射；b 在10～100λ间时，衍射现象显著，出现明暗衍射花样；b> 1 000λ
时，衍射现象不明显，可按直线传播处理。光的衍射是光的波动本性的结果，直线传播也是光的波动本性的结果，两者不对立，而是完全统一的。
对于一个纯衍射问题，光在传播过程中，其波阵面受到很大限制，此时障碍物的几何尺寸都很小，根据惠更斯原理可知，光线偏离了原来的直线传播方向，并且在几何阴影区的边缘产生了强度大小的分布，对波阵面限制越大，衍射效应就越明显，惠更斯提出次波的假设来阐述波传播的现象，得出光在传播过程中碰到障碍物会产生偏离直线传播的现象。但由此产生光强大小的分布问题是由菲涅耳在惠更斯原理的基础上提出次波相干的理论解决的，形成了惠更斯一菲涅耳原理。该原理指出，波阵面上的每一点都是次波的波源，新的波阵面就是这些次波的包络，而且这些次波都是相干的。由于每个波阵面上都存在着无穷多个次波的波源，因此在光的衍射中，其光的叠加就是对无穷多个次波叠加的结果，在数学处理上是一个积分求和的过程，用矢量图解时其矢量图是一个光滑的圆弧。 一丶夫琅禾费衍射
实验理论：衍射物到光源和接收屏的距离均无穷远时的衍射称为夫琅禾费衍射。实际实验时，既可利用透镜在焦平面上观察，也可不用透镜，在远大于波长的位置处观察夫琅禾费衍射现象。平行光经过狭缝衍射，光屏上出现一组明暗相间的条纹，其中除了按照光源里的直线传播原理得到的中央明纹外，在它的两侧还有一些宽度逐渐变窄的明纹，这就是光的单逢衍射现象。
由衍射公式得出如下结论：
（1） 在sin θ =n λ/a±（n=1,2,3„）处衍射强度为零，为暗条纹位置， 分别对应N 级最小。
（2） 次级极大对应的衍射角sin θ=±1.43 λ/a，±2.46 λ/a，±3.47 λ/a……可以计算出各次极大衍射强度依次为 I/I0=0.047,0.017,0.008其中I 为各次极大对应的光强，I0为中央明纹光强极大值。
实验方法：
1）光电池测量光强度转动调节光电池位置的旋柄，使光明器件的狭缝对准衍射图形的中央明纹，仔细确定中央明纹极大值0的位置读数X 。调
整R 使检流计的读数约为80格。然后向一侧移动光电池进行测量，每移动光电池0.2mm 测量一次。
2）CCD 测量光强度
（1）仪器与示波器连接
使用双通道示波器，将仪器的“信号”端输入到示波器“CH1”通道，“触发”端输入“CH2”通道，触发源选CH2。调整示波器触发电平将“CH1 CH2和时间轴设置到合适位置，使CH2在屏幕两侧显示出稳定的触发脉冲。
（2）调整光路
调整激光器、狭缝和CCD 测量系统等高共轴。调节偏振方向，直到能够看见CCD 的探测区。调整光路，使被测光带入CCD 的探测区，在示波器的探测区能够观测到单缝衍射光强的分布曲线。
（3）测量值的读出
示波器上显示的是光强的相对分布，分布上任取15-20个点，读出示波器每个点的坐标值，记下单逢到CCD 的距离L ，通过换算，在坐标纸上画出I/I0—sin 曲线。
实验结果:
根据所得数据画出光强分布图，由公式计算缝宽。
二光栅衍射：
实验理论：当入射光是各种波长的复色光时，经过光栅衍射，对于给定的光栅级数，一个波长对应一个角度，各波长的光按照不同的角度排列，形成光栅光谱。平行光经过一狭缝后成为光源，线光源的光栅衍射使得短的衍射斑变成长的衍射线。
实验方法：调节分光计的基本工作状态，在载物台上放上光栅，调节光栅位置。测研究光谱，画出光谱条纹角度位置。
实验结果：透过分光计可看到光谱图，测出光谱条纹角度位置，计算光栅的色散率。
三丶光衍射原理的应用
光的衍射现象观察的影响因素分析的衍射应用有以下几个应用方向：
1) 普遍应用于光谱分析领域，比如说衍射光栅光谱仪等。
2）应用于衍射成像，比如说衍射成像概念、成像仪器分辨。
3）衍射呈现波阵面，有利于全息术原理的进一步发展。
4）衍射广泛应用于结构分析，例如X 射线结构学等。
结论：波具有干涉，衍射等特性。此次通过光栅衍射和夫琅禾费实验，，对光的衍射特性和衍射与衍射原理进行了深入的探究和研究，通过对三个实验的实践和分析，我对波的衍射性质有了更加深刻地认识和了解，以及对光波衍射的应用有了新的认识。对一些专业术语，一些原理有了更牢固地掌握。通过看书及上网查阅资料，我知道了衍射的各种应用，例如测波长，研究生物体结构等，以及衍射和干涉的相互关系，使我对光的认识进一步加深。此次实验也反映出我知识的欠缺，以及动手能力的薄弱，以后一定会多动手，多实践，认真看书，真正读懂书中的内容。
《光的衍射》专题实验论文
专 业
班 级
学 号姓 名
机械设计制造及其自动化 机械（卓越）1301 齐作霖 3130301006